Piattaforma microfluidica pneumatica per la concentrazione di microparticelle
1 febbraio 2022
Il presente protocollo descrive una piattaforma microfluidica pneumatica che può essere utilizzata per un'efficiente concentrazione di microparticelle.
Questo protocollo descrive il nostro metodo per fabbricare e operare su una piattaforma microfluidica pneumatica per concentrazioni multi-particella che supera carenze come l'intasamento delle particelle e strutture complesse. Questo metodo consente di elaborare un numero illimitato di particelle, concentrarsi su un gran numero di piccole particelle e prevenire danni cellulari indesiderati e aumenta l'efficienza dell'entropia. A causa dell'importanza dell'analisi biologica, le tecnologie dei sistemi microelettro-meccanici microfluidici e biomedici vengono utilizzate per sviluppare e studiare dispositivi per la purificazione e la raccolta di micromateriali.
Per iniziare, utilizzare uno stampo SU8 del canale pneumatico della valvola pre-preparato per replicare lo strato PDMS per il controllo pneumatico della valvola. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante in uno stampo a canale della valvola pneumatica preparato e attivare il calore a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Dopo che le strutture PDMS sono state curate, separare lo stampo SU8.
Punzonare tre porte pneumatiche da 1,5 millimetri nel canale della valvola pneumatica utilizzando una foratura di 1,5 millimetri. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante in uno stampo SU8 pulito. Spin coat per 15 secondi a 1500 giri al minuto usando uno spin coater, quindi attivare il calore a 90 gradi Celsius per 30 minuti.
Separare lo stampo SU8 dopo che le strutture PDMS sono state polimerizzate. Trattare la struttura PDMS con plasma atmosferico per 20 secondi. Utilizzando un microscopio, allineare le strutture PDMS trattate al plasma in base alla struttura del canale.
Legare le strutture PDMS allineate riscaldandole a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Utilizzando una foratura di 1,5 millimetri, praticare un foro di 1,5 millimetri di diametro nell'ingresso del canale del fluido e nelle uscite all'interno della parte del canale pneumatico legata allo strato sottile del diaframma. Replicare entrambi i lati dello strato PDMS utilizzando due stampi SU8 per creare un canale microfluidico.
Utilizzare uno stampo a canale microfluidico curvo e rettangolare sulla parte anteriore e uno stampo per canale di interconnessione microfluidico sul retro. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante nello stampo a canale microfluidico curvo e rettangolare e ruotarlo a 1200 giri al minuto per 15 secondi, quindi creare stampi per la camera del fluido curva e i canali del fluido mediante attivazione del calore a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Separare lo strato PDMS su cui si forma il canale microfluidico.
Quindi trattarlo con plasma atmosferico per 20 secondi per creare uno stampo attivato dal calore che copre la parete di sfiato sigillata legandosi al wafer di vetro. Versare tre millilitri di PDMS liquido nel canale di interconnessione dello stampo SU8. Disporre la struttura, fabbricata con lo stampo del canale di interconnessione, in PDMS liquido sullo stampo del canale di interconnessione microfluidica.
Quindi asciugare la struttura sovrapposta a 130 gradi Celsius per 30 minuti. Dopo la polimerizzazione, rimuovere lo stampo SU8 anteriore dallo strato di rete del canale microfluidico e staccare con cura lo stampo PDMS posteriore. Versare 10 millilitri di PDMS liquido e un millilitro di agente polimerizzante in uno stampo SU8 pulito e attivarlo termicamente a 90 gradi Celsius per 30 minuti.
Separare lo stampo SU8 dopo che le strutture PDMS sono state polimerizzate. Trattare gli stampi del canale di interconnessione microfluidica PDMS con plasma atmosferico per 20 secondi. Utilizzando un microscopio, allineare le strutture PDMS trattate al plasma in base alla struttura del canale.
Legare le strutture PDMS allineate riscaldando a 90 gradi Celsius per 30 minuti. Allineare le strutture PDMS preparate durante questo processo in base alla struttura del canale e legarle trattandole con plasma atmosferico per 20 secondi. Utilizzando una siringa da 10 millilitri, riempire il canale microfluidico con acqua demineralizzata priva di bolle.
Per controllare la pressione del fluido di lavoro e le tre valvole pneumatiche che controllano il flusso della microsfere, inserire un regolatore di pressione di precisione con quattro o più canali di uscita per il fluido di lavoro nella piattaforma microfluidica. Preparare particelle di prova di polistirene carbossilico di varie dimensioni in acqua distillata. Per controllare la portata del fluido di lavoro, riempire metà di una bottiglia di vetro con l'acqua e collegare il tappo della bottiglia di vetro al canale di uscita del controller e alla microvalvola.
Utilizzando un microscopio invertito, osservare tutte le operazioni della piattaforma e misurare la portata operativa nel tempo all'uscita con un misuratore di portata liquido. Iniettare la particella o la miscela di fluidi sotto pressione all'ingresso con la valvola delle particelle. Applicare pressione alla valvola CIV a 15 kilopascal e alla valvola antiparticolato a 18 kilopascal per azionare la valvola.
Quando le particelle sono concentrate, applicare pressione solo alla valvola del fluido. La portata dei fluidi è stata suddivisa in un funzionamento a quattro stadi della piattaforma. La prima fase era lo stato di caricamento.
Il fluido di lavoro e le particelle erano quasi identici poiché la rete di canali microfluidici mostrava simmetria strutturale. Il secondo stadio era lo stato di blocco. Il percorso del flusso si è ristretto e la portata misurata alla porta di uscita è stata ridotta dalla resistenza idraulica.
Il terzo stadio era lo stato di concentrazione. Il QP misurato era vicino allo zero e il QF era circa 1,42 volte quello dello stato di blocco. La fase finale era lo stato di rilascio.
Le portate e le velocità di concentrazione risultanti hanno dimostrato che l'attuazione sequenziale programmata con la valvola pneumatica funziona bene a causa dei cambiamenti di flusso. Le particelle sono state concentrate e accumulate nell'area di raccolta quando la valvola CIV e la valvola delle particelle sono state chiuse e tutte le particelle concentrate raccolte sono state rilasciate entro quattro secondi quando solo la valvola del fluido è stata chiusa. Una parte essenziale di questa procedura è la polimerizzazione della struttura posteriore in cui lo strato PDMS viene impiantato dalla maggiore pressione dello strato d'aria.
E lo strato di film deformato viene improvvisamente attivato. Questa piattaforma può essere utilizzata per l'auto-pretrattamento di bioparticelle molto concentrate e dritte e sospese, in quanto l'operazione non è influenzata dalle proprietà delle particelle fisiche.
Visualizza la trascrizione completa e accedi a migliaia di video scientifici
Panoramica
Questo protocollo descrive una piattaforma microfluida pneumatica progettata per un'efficiente concentrazione di microparticelle. Affronta sfide come l'intasamento delle particelle e le strutture complesse, consentendo l'elaborazione di un gran numero di piccole particelle minimizzando al contempo il danno cellulare.
Componenti chiave dello studio
Area di scienza
- Microfluidica
- Ingegneria biomedica
- Tecniche di concentrazione delle particelle
Sfondo
- I sistemi microfluidi pneumatici migliorano la manipolazione delle particelle.
- I metodi tradizionali spesso affrontano problemi di intasamento.
- I sistemi microelettromagnetici (MEMS) sono fondamentali nello sviluppo dei dispositivi.
- Un'efficiente concentrazione delle particelle è cruciale per le analisi biologiche.
Obiettivo dello studio
- Realizzare una piattaforma microfluida pneumatica.
- Migliorare l'efficienza della concentrazione delle microparticelle.
- Prevenire danni cellulari indesiderati durante l'elaborazione.
Metodi utilizzati
- Realizzazione di strutture PDMS utilizzando stampi SU8.
- Controllo pneumatico delle valvole per la manipolazione delle particelle.
- Riscaldamento del PDMS con un agente di indurimento per la stabilità della struttura.
- Test della piattaforma per l'efficienza di concentrazione.
Risultati principali
- Concentrazione con successo di molteplici piccole particelle.
- Superamento dei problemi di intasamento prevalenti nei metodi tradizionali.
- Mantenimento della vitalità cellulare durante il processo di concentrazione.
- Aumento dell'efficienza entropica nell'elaborazione delle particelle.
Conclusioni
- La piattaforma microfluida pneumatica è efficace per la concentrazione delle microparticelle.
- Questo metodo può essere applicato a varie analisi biologiche.
- Le future applicazioni potrebbero migliorare l'efficienza dei dispositivi biomedicali.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
This pneumatically driven microfluidic platform addresses key challenges in early-stage biopharma R&D by enabling efficient concentration of micro-particles without clogging or cellular damage. It supports target validation and assay development workflows by providing a reproducible method for isolating and enriching analytes from complex biological matrices. The technology enhances predictive confidence in lead identification by ensuring consistent sample preparation, reducing variability that can confound downstream screening and mechanistic studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through precise concentration of biomarkers or therapeutic targets from heterogeneous samples.
- Operational Value: Reduces sample loss and improves detection sensitivity for low-abundance analytes critical in target validation.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by delivering consistent particle enrichment for functional assays and pathway analysis.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream screening by removing interferents and concentrating analytes of interest.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility through controlled, valve-driven sample processing.
- Scalability: Enables processing of unlimited particle numbers, supporting high-throughput screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains sample integrity from discovery through preclinical validation by preventing unwanted cell damage during concentration.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports reliable biomarker alignment and disease-relevant system modeling through consistent sample preparation.
- Mechanistic De-risking: Increases confidence in preclinical data by minimizing pre-analytical variability introduced during sample handling.
Pipeline & Workflow Integration
The platform integrates into the discovery continuum from early target validation through lead identification and preclinical development, enabling reliable sample preparation at each stage.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by concentrating signaling molecules, vesicles, or cellular debris for analysis.
- Screening: Delivers assay-ready samples with reduced matrix effects, improving hit detection and structure-activity relationship confidence.
- Analytics: Provides quantitative concentration outputs that enable comparison across experimental conditions and time points.
- Translational Research: Connects discovery-phase sample processing to preclinical continuity by preserving analyte structure and function.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable sample preparation module across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing false negatives from analyte loss during processing.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization across laboratories through pneumatic control and defined operational stages.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by delivering higher-quality input data for screening and mechanistic studies.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by improving the reliability of early-stage biological data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device fabrication, PDMS handling, and pneumatic control systems.
- Depends on precision pressure controllers, syringe pumps, and flow rate monitoring equipment for reproducible operation.
- Necessitates cross-team standardization of valve actuation timing and pressure thresholds for consistent results.
- Requires adaptation of channel dimensions and valve timing based on target particle size and concentration goals.
- Practical limitations include the need for cleanroom-compatible fabrication and careful alignment of plasma-bonded layers to prevent leaks.
